SCADA 在遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

曹子昆

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

燃料組件零部件熱處理是核燃料元件生產(chǎn)的重要工序，用于改善零部件力學(xué)性能和加工性能[1]。釬焊在燃料組件中用于有關(guān)結(jié)構(gòu)件的焊接，也是核燃料組件制造中不可或缺的重要工藝。因此，真空熱處理爐和釬焊爐是核燃料元件生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)多種關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)任務(wù)。目前，在零部件車間不同廠房共分布有多臺不同型號的熱處理和釬焊爐，每臺爐子根據(jù)產(chǎn)品熱處理工藝的不同，工作時(shí)間6～24 h、溫度360～1040 ℃。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，操作人員需要在現(xiàn)場時(shí)刻監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于現(xiàn)場溫度較高，操作人員無法長時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)視，加上多臺爐子分布在不同的廠房，因此需要大量的操作人員現(xiàn)場值守。并且整個(gè)生產(chǎn)流程過程重復(fù)、操作效率低、缺乏信息化管理和數(shù)據(jù)無保留，因此需要提升設(shè)備運(yùn)行管理水平。

通過對設(shè)備情況的分析，決定研發(fā)一套遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)，對分散在不同廠房操作間內(nèi)的多臺熱處理爐進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中化、信息化管理和遠(yuǎn)程操作，為熱處理爐提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)，保證熱處理爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和質(zhì)量安全。同時(shí)，集中監(jiān)控系統(tǒng)有利于提高操作效率，節(jié)省人力成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)是基于和利時(shí)SCADA 系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）進(jìn)行研發(fā)的。它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能。作為國產(chǎn)系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

1 真空熱處理爐組成分析

熱處理崗位共有多臺不同型號的熱處理爐，爐子的主要組成部分相同，每臺爐子的差異主要來自于本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的不同，因此操作方式也各有差異。每臺爐子根據(jù)控制功能，進(jìn)行不同工藝的產(chǎn)品生產(chǎn)。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 真空熱處理爐

真空熱處理爐分為如下部分：

（1）爐體加熱室：產(chǎn)品熱處理的工作區(qū)域。

（2）真空系統(tǒng)：用于對爐體內(nèi)部進(jìn)行抽真空，以防止金屬在熱處理過程中發(fā)生氧化。

（3）電氣控制系統(tǒng)：用于熱處理設(shè)備的運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

（4）水冷系統(tǒng)：用于保護(hù)爐體本體，將加熱區(qū)域與外界隔離。

（5）快冷系統(tǒng)：用于熱處理工序中的冷卻環(huán)節(jié)。

（6）加熱系統(tǒng)：提供加熱電流，給加熱室升溫。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 主要研究對象

電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心部分，包括整個(gè)設(shè)備的邏輯控制、信號采集與顯示。因此，遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要源于對電氣控制系統(tǒng)的分析，通過電氣系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，再由SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

2.2 電氣控制系統(tǒng)分析

熱處理爐設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)主要由PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）、溫控儀、真空計(jì)、電流電壓表、執(zhí)行器件、各類信號采集傳感器組成，其中有3 臺爐子未使用HMI。電氣控制系統(tǒng)各部件功能如表1 所示。

表1 電氣控制系統(tǒng)部件功能

2.3 設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)控制系統(tǒng)的組成，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）集中監(jiān)控區(qū)的建立。設(shè)計(jì)裝修一個(gè)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控室，爐子的數(shù)據(jù)將集中采集并保存到監(jiān)控室，作為整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制、指揮中心。

（2）通信連接。由上位機(jī)與現(xiàn)場各個(gè)電子設(shè)備（PLC、溫控儀、真空計(jì)、電流電壓表）建立通信連接，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。通過軟件，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)畫面顯示、遠(yuǎn)程操作等功能。

3 方案實(shí)施

3.1 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控室

集中監(jiān)控室是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、遠(yuǎn)程操作的控制中心，掌握各臺熱處理設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控室統(tǒng)一監(jiān)管、調(diào)度設(shè)備。

監(jiān)控室配置有服務(wù)器、工程師站和操作員站（圖2）。服務(wù)器作為歷史數(shù)據(jù)庫后臺，用于讀取、保存歷史數(shù)據(jù)和操作界面的使用。工程師站作為整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試以及操作界面。操作員站主要用于操作界面的。監(jiān)控室配置了液晶顯示拼接屏，用于現(xiàn)場視頻監(jiān)控，還配有打印機(jī)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)打印。

圖2 監(jiān)控室

3.2 通信

3.2.1 通信協(xié)議

現(xiàn)場電子設(shè)備支持Modbus 串行通信協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，包括RTU、ASCII 和TCP，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 協(xié)議物理層接口包括RS232、RS485 和以太網(wǎng)[2]。上位機(jī)采用TCP 協(xié)議，因此上位機(jī)可以采用Modbus TCP 通信協(xié)議與現(xiàn)場電子設(shè)備建立連接。

3.2.2 傳輸方式

現(xiàn)場設(shè)備電子設(shè)備種類較多、接口復(fù)雜、電纜數(shù)量多。設(shè)備采用的信號傳輸方式包括RS232、RS485 和以太網(wǎng)。由于監(jiān)控室與現(xiàn)場設(shè)備距離較遠(yuǎn)，RS232 方式的最大傳輸距離只有15 m左右[2]，無法直接連接。RS485 方式的遠(yuǎn)距離傳輸存在信號干擾問題。

以太網(wǎng)作為目前工業(yè)通信傳輸最為普遍的方式，其特點(diǎn)有防干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快，僅需一根光纜就能傳輸。而采用RS232/RS485 方式傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備可以通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)線的方式將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)傳輸，再通過交換機(jī)連接，由光纖收發(fā)器通過光纜將信號集中傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

3.2.3 通信方式轉(zhuǎn)換

使用以太網(wǎng)傳輸需要進(jìn)行傳輸轉(zhuǎn)換，由于電子設(shè)備種類多，接口復(fù)雜，因此采用專業(yè)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將傳輸模式統(tǒng)一變?yōu)橐蕴W(wǎng)傳輸模式（表2）。

表2 通信方式轉(zhuǎn)換

由于電流、電壓表由于沒有通信接口，因此，先通過電流、電壓變送器將電流電壓值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA 電流信號，再通過阿爾泰轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接。

3.2.4 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

將傳輸模式變?yōu)橐蕴W(wǎng)后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過網(wǎng)絡(luò)地址就可以查找到對應(yīng)的電子設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ň植浚┤鐖D3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ň植浚?/p>

3.2.5 Modbus 地址查看與調(diào)用

上位機(jī)與電子設(shè)備通過Modbus TCP 通信，讀取Modbus 地址。不同的電子設(shè)備，內(nèi)部寄存器地址與Modbus 地址存放位置不同，存放的數(shù)據(jù)類型也不同，需要查看對應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊手冊進(jìn)行對照。也可以通過ModScan32 軟件查看Modbus 地址，與現(xiàn)場電子設(shè)備的狀態(tài)顯示進(jìn)行對照。地址調(diào)用可通過使用HiaPlantSCADA 組態(tài)軟件，調(diào)取相應(yīng)的Modbus 地址值進(jìn)行使用。

3.3 集中監(jiān)控界面

集中監(jiān)控界面作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，所有的數(shù)據(jù)顯示以及操作功能都需要集中到界面上。通過使用HiaPlantSCADA 組態(tài)軟件，對監(jiān)控界面進(jìn)行開發(fā)。監(jiān)控界面顯示了熱處理爐設(shè)備的生產(chǎn)工藝流程、狀態(tài)、參數(shù)，具備遠(yuǎn)程控制功能（圖4）。熱處理爐的監(jiān)控界面可以根據(jù)需要自由切換。

圖4 遠(yuǎn)程操作界面

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

3.4.1 狀態(tài)顯示功能

操作界面能夠顯示數(shù)字量的開關(guān)信號狀態(tài)，通過組態(tài)軟件定義采集的Modbus 變量地址，將畫面中對應(yīng)的符號賦予變量值，以顏色、閃爍等變化來顯示狀態(tài)值。

3.4.2 模擬量顯示功能

模擬量顯示包括設(shè)備溫度、真空度、電流、電壓。溫度信號和真空度信號是從溫控儀、真空計(jì)直接讀取的，只需要找到對應(yīng)的Modbus 地址讀取具體數(shù)值，并進(jìn)行單位換算，就可以顯示當(dāng)前的實(shí)際值。

電流、電壓表的信號需要經(jīng)過計(jì)算才能作為顯示使用。電流、電壓信號經(jīng)過變送器后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)4～20 mA 電流信號，經(jīng)過阿爾泰轉(zhuǎn)換模塊讀取后，放入Modbus 地址中，地址中的讀取值為0～65 535，電流表的量程為0～1200 A，由此可以得出電流：

式中，I 為電流顯示值，單位為A，Mi為Modbus 測量值。

電壓表量程為0～60 V，得出電壓：

式中，U 為電壓顯示值，單位為V，Mu為Modbus 測量值。

計(jì)算處理后的值可以直接通過軟件組態(tài)編輯，作為操作界面顯示輸出使用。模擬量寫入界面如圖5 所示。

圖5 模擬量寫入

3.4.3 趨勢查看

通過軟件編程，對溫度、真空度、電流、電壓、水溫等模擬量新增加了一個(gè)趨勢查看功能，這些功能在原有的控制系統(tǒng)中是沒有的。趨勢查看是對整個(gè)數(shù)據(jù)趨勢最直觀展示，可以觀測到各類模擬量數(shù)據(jù)的走勢，并且能夠進(jìn)行歷史查詢。對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄，和故障維修診斷，趨勢查看效果十分明顯。

圖6 記錄的是一段升溫曲線，縱向是溫度坐標(biāo)，橫向是時(shí)間坐標(biāo)，坐標(biāo)值可以設(shè)定大小范圍，可通過打印機(jī)打印。

圖6 溫度趨勢曲線

3.4.4 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制是通過上位機(jī)遠(yuǎn)程賦予現(xiàn)場電子設(shè)備信號、參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、修改參數(shù)等功能。地址寫入主要是對PLC 和溫控儀，其他電子設(shè)備因功能不同無需寫入。地址寫入功能是通過Modbus TCP 協(xié)議改變Modbus 地址值。針對PLC 地址寫入，點(diǎn)擊每個(gè)操作按鈕，都會彈出相應(yīng)的操作框。而溫控儀設(shè)置了統(tǒng)一的參數(shù)修改框。

3.4.5 操作記錄

在使用遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，操作內(nèi)容、時(shí)間、操作人會被記錄下來。

3.4.6 報(bào)警管理

原有獨(dú)立設(shè)備地控制系統(tǒng)只有少數(shù)報(bào)警功能，而遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了更多的報(bào)警提示功能，增加了冷卻水溫異常報(bào)警、電流電壓過大報(bào)警、真空報(bào)警等，報(bào)警功能更全面。并且系統(tǒng)會記錄報(bào)警的時(shí)間、地點(diǎn)、報(bào)警內(nèi)容，以便快速查找、診斷故障（圖7）。

圖7 報(bào)警管理

4 應(yīng)用效果

（1）通過對現(xiàn)場設(shè)備的分析，成功完成對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，將真空熱處理爐設(shè)備集中控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控以及控制。并于2022 年6 月，成功運(yùn)用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)，已記錄的完整生產(chǎn)周期數(shù)據(jù)已達(dá)上百次。

（2）相較于原有的獨(dú)立式操作，操作員可以在更舒適的環(huán)境下通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作，一個(gè)操作員就可以完成對熱處理爐的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)具有豐富詳細(xì)的報(bào)警提示功能，可以更好地提醒操作人員更有針對性的保障設(shè)備正常運(yùn)行。

（3）遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)具有更多的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，自動(dòng)化程度大幅提高，能夠更加全面地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)而保障產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠保存，高層管理人員可以隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)，從而展開更全面的工藝分析，也更方便設(shè)備調(diào)度，對生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供可靠的技術(shù)參考。

（4）遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會直接影響現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行。而在現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致無法操作時(shí)，可以通過遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作應(yīng)急處理，做到雙重保險(xiǎn)。

（5）系統(tǒng)可根據(jù)需求后續(xù)增加新的功能，為生產(chǎn)線集中監(jiān)控改造提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)論

使用Modbus TCP 通信協(xié)議和以太網(wǎng)通信傳輸轉(zhuǎn)換，成功將現(xiàn)場多個(gè)電子設(shè)備的多種數(shù)據(jù)接口進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、防干擾傳輸，建立上位機(jī)與多個(gè)電子設(shè)備的通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。利用和利時(shí)SCADA 系統(tǒng)成功開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將分散在不同廠房操作區(qū)間的熱處理爐進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)修改、趨勢查看、遠(yuǎn)程控制、事件管理功能。遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)成功，并投入生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)。